Illustrazione artistica di una nuvola di atomi con coppie di particelle impigliate tra loro, rappresentato dalle linee giallo-azzurre. Credito immagine:© ICFO Credito:ICFO
L'entanglement quantistico è un processo mediante il quale oggetti microscopici come elettroni o atomi perdono la loro individualità per coordinarsi meglio tra loro. L'entanglement è al centro delle tecnologie quantistiche che promettono grandi progressi nel campo dell'informatica, comunicazione e rilevamento, Per esempio, rilevamento delle onde gravitazionali.
Gli stati entangled sono notoriamente fragili:nella maggior parte dei casi, anche un piccolo disturbo annullerà l'intreccio. Per questa ragione, le attuali tecnologie quantistiche si impegnano molto per isolare i sistemi microscopici con cui lavorano, e tipicamente operano a temperature prossime allo zero assoluto. Il team dell'ICFO, in contrasto, riscaldato una raccolta di atomi a 450 Kelvin in un recente esperimento, milioni di volte più caldi della maggior parte degli atomi utilizzati per la tecnologia quantistica. Inoltre, i singoli atomi erano tutt'altro che isolati; si scontravano tra loro ogni pochi microsecondi, e ogni collisione faceva ruotare i loro elettroni in direzioni casuali.
I ricercatori hanno utilizzato un laser per monitorare la magnetizzazione di questo caldo, gas caotico. La magnetizzazione è causata dagli elettroni rotanti negli atomi, e fornisce un modo per studiare l'effetto delle collisioni e per rilevare l'entanglement. Ciò che i ricercatori hanno osservato è stato un numero enorme di atomi entangled, circa 100 volte più di quanto mai osservato prima. Hanno anche visto che l'entanglement non è locale:coinvolge atomi che non sono vicini l'uno all'altro. Tra due atomi in entanglement ci sono migliaia di altri atomi, molti dei quali sono impigliati con ancora altri atomi, in un gigante, stato entangled caldo e disordinato.
Quello che hanno visto anche, nel ruolo di Jia Kong, primo autore dello studio, ricorda, "è che se interrompiamo la misurazione, l'entanglement rimane per circa 1 millisecondo, il che significa che 1000 volte al secondo, un nuovo lotto di 15 trilioni di atomi viene impigliato. E devi pensare che 1 ms è un tempo molto lungo per gli atomi, abbastanza a lungo da consentire il verificarsi di circa 50 collisioni casuali. Ciò mostra chiaramente che l'entanglement non viene distrutto da questi eventi casuali. Questo è forse il risultato più sorprendente del lavoro".
L'osservazione di questo stato entangled caldo e disordinato apre la strada al rilevamento del campo magnetico ultrasensibile. Per esempio, nella magnetoencefalografia (immagini magnetiche del cervello), una nuova generazione di sensori utilizza questi stessi hot, gas atomici ad alta densità per rilevare i campi magnetici prodotti dall'attività cerebrale. I nuovi risultati mostrano che l'entanglement può migliorare la sensibilità di questa tecnica, che ha applicazioni nelle scienze cerebrali fondamentali e nella neurochirurgia.
Il Prof. ICREA all'ICFO Morgan Mitchell afferma:"Questo risultato è sorprendente, un vero allontanamento da ciò che tutti si aspettano dall'entanglement. Speriamo che questo tipo di gigantesco stato di entanglement porti a migliori prestazioni dei sensori in applicazioni che vanno dall'imaging cerebrale alle auto a guida autonoma, alle ricerche di materia oscura".
Immagine della cella di vetro in cui il metallo rubidio viene miscelato con azoto e riscaldato fino a 450 gradi Kelvin. A quella temperatura elevata, il metallo si vaporizza, creando atomi di rubidio liberi che si diffondono all'interno della cellula. Credito immagine:© ICFO Credito:ICFO
A Spin Singlet e QND
Un singoletto di spin è una forma di entanglement in cui gli spin delle particelle multiple, il loro momento angolare intrinseco, si sommano a 0, il che significa che il sistema ha momento angolare totale nullo. In questo studio, i ricercatori hanno applicato la misurazione della non demolizione quantistica (QND) per estrarre le informazioni sullo spin di trilioni di atomi.
La tecnica fa passare fotoni laser con un'energia specifica attraverso il gas degli atomi. I fotoni con questa energia precisa non eccitano gli atomi, ma loro stessi sono colpiti dall'incontro. Gli spin degli atomi agiscono come magneti per ruotare la polarizzazione della luce. Misurando quanto è cambiata la polarizzazione dei fotoni dopo aver attraversato la nuvola, i ricercatori sono in grado di determinare lo spin totale del gas degli atomi.
Il regime della SER
Gli attuali magnetometri operano in un regime chiamato SERF, lontano dalle temperature prossime allo zero assoluto che i ricercatori tipicamente impiegano per studiare gli atomi entangled. In questo regime, ogni atomo subisce molte collisioni casuali con altri atomi vicini, rendendo le collisioni l'effetto più importante sullo stato dell'atomo.
Inoltre, perché sono in un mezzo caldo piuttosto che ultrafreddo, le collisioni randomizzano rapidamente lo spin degli elettroni in un dato atomo. L'esperimento mostra, sorprendentemente, che questo tipo di disturbo non rompe gli stati entangled; passa semplicemente l'entanglement da un atomo all'altro.
